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摘 要：本文分析了控轧控冷技术对微合金钢组织性能的影响。
关键词：控轧控冷；微合金化；TMCP
前言
随着工艺技术的快速发展，低合金高强钢逐步被微合金高强钢所代替，由于具有合金成本低，加上碳当量降低焊接性能也得到了相应的提高，因此微合金高强钢正逐步被用户所接受，尤其以微量Ti合金代替Mn合金轧制Q345级钢，以低的合金成本并具有高的焊接性能等优势得到了各大钢厂的积极推广。现着重讲一下微合金化TMCP的相关技术的理论依据。
1 TMCP的理论依据
TMCP就是热轧时通过控制钢坯的加热温度、开轧温度、终轧温度及变形制度的基础上再实施空冷或控制冷却速度的技术总称。
1.1控制轧制是以控制晶粒为主提高钢的强韧性的方法，控制轧后奥氏体再结晶的过程，对获得细小组织起决定性作用。根据奥氏体发生塑性变形的条件可将控制轧制分为三种类型：Ⅰ型奥氏体再结晶区控轧，Ⅱ型奥氏体未再结晶区控轧，Ⅲ型两相区（A+F）控轧。
1.2控制冷却是指控制轧制后进一步对钢进行处理的过程，通过控制冷却速度來进一步提高钢的性能。
1.3TMCP四个阶段
综合起来TMCP具有四个阶段，其中控轧三个阶段，控冷一个阶段，如图1所示：
1.4控制轧制的三个阶段
1.4.1Ⅰ型奥氏体再结晶区控轧
该类型控轧是将钢加热到奥氏体化温度（约950℃以上），然后进行塑性变形，在每道次的变形过程中发生动态再结晶，或在道次之间发生静态再结晶的过程。经过反复轧制和再结晶，使奥氏体的晶粒细化，这为相变后生成细小铁素体晶粒提供了先决条件。
1.4.2Ⅱ型奥氏体未再结晶区控轧
该类型控轧是指钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形，奥氏体变形后不发生再结晶，因变形后的奥氏体晶粒积累了一定的变形量，使得晶粒被压扁或拉长，变形大时晶粒内产生大量滑移带和位错，增大了有效晶界面积，相变时在晶界上和变形带上铁素体形核。由于形核位置增多和分散，所以铁素体晶粒细小，珠光体也细小分散，所得组织比再结晶轧制所得组织更细小。
1.4.3Ⅲ型两相区（A+F）控轧
该类型控轧是指钢加热到奥氏体化温度后，经过一定变形然后冷却到（A+F）两相区再继续进行塑性变形，并且在Ar1温度以上结束轧制，钢在该区轧制一定道次达到一定累计变形量。未相变的变形奥氏体由于形变而继续被拉长，同时晶粒内形成了形变带及位错，在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒，而先共析铁素体晶粒，由于塑性形变在晶粒内部形成大量的位错，并经回复形成亚晶结构，这些亚晶结构可以提高钢的强韧性。
1.5控制冷却
控制冷却过程是通过控制轧制后三个不同冷却阶段的工艺参数，来得到不同的相变组织。这三个阶段称为一次冷却，二次冷却和三次冷却。
1.5.1一次冷却，即从终轧到Ar3温度的范围内，终轧后特别是在奥氏体再结晶区轧制后，在奥氏体内部产生了大量的位错和变形带，奥氏体晶粒产生了很大变形。在相变前如进行一定强度的冷却，即可阻止在高温下奥氏体晶粒的长大，又可阻止碳化物过早析出，同时也可适当固定位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体以后的相变做好组织准备。
1.5.2二次冷却阶段，即从Ar3到以后的相变温度区间，在此温度区间由奥氏体向铁素体相变和碳化物析出的相变阶段，通过控制相变开始冷却温度、冷却速度和终止温度等参数达到控制相变产物的目的。
1.5.3三次冷却阶段，即第三阶段的空冷，指相变结束到室温这一温度区间的冷却速度的控制，主要起自回火和消除由前阶段快冷产生的应力作用。
2 TMCP关键要素及控制要点
2.1 钢微合金化目的
钢中加入微合金元素，其主要目的是为了与控轧轧制相配合，最大程度地细化晶粒。Nb、V、Ti是最常用的细化晶粒的元素，它们能在钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些析出物的细小质点可以钉扎晶界，具有强烈阻碍晶粒长大的作用。以上三种元素的析出物对晶界的钉扎作用是依次降低的，在微合金钢中复合微合金的作用大于单独加入某种微合金元素的总和。
2.2 钢坯加热温度
钢坯的再加热温度已成为目前控制轧制必要技术之一，对普通C-Mn钢，板坯轧制之前的再加热温度通常为1200～1300℃。工业试验表明，控轧钢坯再加热温度比普通热轧时板坯加热温度低50～100℃，这是因为低加热温度可使板坯在具有较细奥氏体晶粒的温度下进行热变形，从而使起始晶粒尺寸减小。最终提高粗轧最后阶段的再结晶晶粒尺寸的细化程度和均匀性。
2.3 变形量
为了避免粗大奥氏体晶粒的出现，在高温区必须给以大的变形量，使变形晶粒完全再结晶，才能得到均匀的奥氏体组织。在奥氏体未再结晶区（950℃～Ar3）进行轧制，变形晶粒不再进行再结晶，而是沿着轧制方向拉长，形成大量滑移带和位错，合金元素的碳化物优先从这些部位析出，而且主要沿着奥氏体晶界析出，可以阻止晶粒长大，因而相变后的晶粒更细更均匀。
2.4终轧温度
在控制轧制工艺中，需根据所采用的控制轧制类型来确定终轧温度，在奥氏体轧制区时，终轧温度越高奥氏体晶粒越粗大，转变后的铁素体晶粒也越粗大，并易出现魏氏组织，对钢的性能不利，因此最后几道次的轧制温度应低一些。但随着温度进一步降低，钢的变形抗力会提高，轧机的轧制力和轧制力矩也随之增加。
2.5 冷却速度
冷却速度越快通过相变温度区的过冷度越大，将降低r-a的相变温度Ar3，从而提高铁素体的形核速率并降低铁素体晶粒的长大速率，使铁素体晶粒得到细化。冷却速度对于微合金碳氮化物的析出也有重要影响。当冷却速度高时，碳氮化物析出量较多，而当冷却速度过快时，晶粒虽然得到细化，但是微合金碳氮化物析出量减少，强度不能得到大的提高，所以为了得到最佳效果，应合理的制定控制冷却速度，同时要防止出现魏氏组织降低钢的性能。
2.6终冷温度
终冷温度对钢的强度和韧性有着重要影响，在管线钢生产中，抗拉强度随着终冷温度的降低而单调增加，但屈服强度和低温韧性的变化与显微组织和应力-应变曲线的变化关系较复杂。
3微合金钢控轧控冷实践中注意事项：
1）Ti微合金化低合金钢有效Ti含量至少要在0.018%以上，当钢水中的S、N含量波动较大时，实际起强化作用的Ti的含量变化较大，导致Ti微合金化钢的性能不稳定。如：s含量在0.005%，N含量为0.007%时，则应加入的Ti应为0.058%；
2）微合金的固溶与加热温度及加热时间有一定关系，为满足Ti微合金完全固溶到钢中，钢坯加热时尽量使用高温加热，但也要考虑奥氏体晶粒度不要过分长大，因此制定加热温度时应根据不同规格选择不同的加热温度。
总结
TMCP的重要手段之一就是要得到细小均匀的铁素体组织，为此就必须了解不同加工变形的奥氏体向铁素体的转变过程，控制轧制分为奥氏体再结晶区轧制，奥氏体未再结晶区轧制和（A+F）两相区轧制三种类型，控制轧后再进行快速控制冷却，即为TMCP的四个阶段。
参考文献
[1]王有铭，李曼云，韦光，钢材的控制轧制和控制冷却.北京：冶金工业出版社，2005
[2]田中，智夫，控制轧制的三个阶段，北京：冶金工业出版社，1984.
（作者单位：沧州中铁装备制造材料有限公司）
关键词：控轧控冷；微合金化；TMCP
前言
随着工艺技术的快速发展，低合金高强钢逐步被微合金高强钢所代替，由于具有合金成本低，加上碳当量降低焊接性能也得到了相应的提高，因此微合金高强钢正逐步被用户所接受，尤其以微量Ti合金代替Mn合金轧制Q345级钢，以低的合金成本并具有高的焊接性能等优势得到了各大钢厂的积极推广。现着重讲一下微合金化TMCP的相关技术的理论依据。
1 TMCP的理论依据
TMCP就是热轧时通过控制钢坯的加热温度、开轧温度、终轧温度及变形制度的基础上再实施空冷或控制冷却速度的技术总称。
1.1控制轧制是以控制晶粒为主提高钢的强韧性的方法，控制轧后奥氏体再结晶的过程，对获得细小组织起决定性作用。根据奥氏体发生塑性变形的条件可将控制轧制分为三种类型：Ⅰ型奥氏体再结晶区控轧，Ⅱ型奥氏体未再结晶区控轧，Ⅲ型两相区（A+F）控轧。
1.2控制冷却是指控制轧制后进一步对钢进行处理的过程，通过控制冷却速度來进一步提高钢的性能。
1.3TMCP四个阶段
综合起来TMCP具有四个阶段，其中控轧三个阶段，控冷一个阶段，如图1所示：
1.4控制轧制的三个阶段
1.4.1Ⅰ型奥氏体再结晶区控轧
该类型控轧是将钢加热到奥氏体化温度（约950℃以上），然后进行塑性变形，在每道次的变形过程中发生动态再结晶，或在道次之间发生静态再结晶的过程。经过反复轧制和再结晶，使奥氏体的晶粒细化，这为相变后生成细小铁素体晶粒提供了先决条件。
1.4.2Ⅱ型奥氏体未再结晶区控轧
该类型控轧是指钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形，奥氏体变形后不发生再结晶，因变形后的奥氏体晶粒积累了一定的变形量，使得晶粒被压扁或拉长，变形大时晶粒内产生大量滑移带和位错，增大了有效晶界面积，相变时在晶界上和变形带上铁素体形核。由于形核位置增多和分散，所以铁素体晶粒细小，珠光体也细小分散，所得组织比再结晶轧制所得组织更细小。
1.4.3Ⅲ型两相区（A+F）控轧
该类型控轧是指钢加热到奥氏体化温度后，经过一定变形然后冷却到（A+F）两相区再继续进行塑性变形，并且在Ar1温度以上结束轧制，钢在该区轧制一定道次达到一定累计变形量。未相变的变形奥氏体由于形变而继续被拉长，同时晶粒内形成了形变带及位错，在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒，而先共析铁素体晶粒，由于塑性形变在晶粒内部形成大量的位错，并经回复形成亚晶结构，这些亚晶结构可以提高钢的强韧性。
1.5控制冷却
控制冷却过程是通过控制轧制后三个不同冷却阶段的工艺参数，来得到不同的相变组织。这三个阶段称为一次冷却，二次冷却和三次冷却。
1.5.1一次冷却，即从终轧到Ar3温度的范围内，终轧后特别是在奥氏体再结晶区轧制后，在奥氏体内部产生了大量的位错和变形带，奥氏体晶粒产生了很大变形。在相变前如进行一定强度的冷却，即可阻止在高温下奥氏体晶粒的长大，又可阻止碳化物过早析出，同时也可适当固定位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体以后的相变做好组织准备。
1.5.2二次冷却阶段，即从Ar3到以后的相变温度区间，在此温度区间由奥氏体向铁素体相变和碳化物析出的相变阶段，通过控制相变开始冷却温度、冷却速度和终止温度等参数达到控制相变产物的目的。
1.5.3三次冷却阶段，即第三阶段的空冷，指相变结束到室温这一温度区间的冷却速度的控制，主要起自回火和消除由前阶段快冷产生的应力作用。
2 TMCP关键要素及控制要点
2.1 钢微合金化目的
钢中加入微合金元素，其主要目的是为了与控轧轧制相配合，最大程度地细化晶粒。Nb、V、Ti是最常用的细化晶粒的元素，它们能在钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些析出物的细小质点可以钉扎晶界，具有强烈阻碍晶粒长大的作用。以上三种元素的析出物对晶界的钉扎作用是依次降低的，在微合金钢中复合微合金的作用大于单独加入某种微合金元素的总和。
2.2 钢坯加热温度
钢坯的再加热温度已成为目前控制轧制必要技术之一，对普通C-Mn钢，板坯轧制之前的再加热温度通常为1200～1300℃。工业试验表明，控轧钢坯再加热温度比普通热轧时板坯加热温度低50～100℃，这是因为低加热温度可使板坯在具有较细奥氏体晶粒的温度下进行热变形，从而使起始晶粒尺寸减小。最终提高粗轧最后阶段的再结晶晶粒尺寸的细化程度和均匀性。
2.3 变形量
为了避免粗大奥氏体晶粒的出现，在高温区必须给以大的变形量，使变形晶粒完全再结晶，才能得到均匀的奥氏体组织。在奥氏体未再结晶区（950℃～Ar3）进行轧制，变形晶粒不再进行再结晶，而是沿着轧制方向拉长，形成大量滑移带和位错，合金元素的碳化物优先从这些部位析出，而且主要沿着奥氏体晶界析出，可以阻止晶粒长大，因而相变后的晶粒更细更均匀。
2.4终轧温度
在控制轧制工艺中，需根据所采用的控制轧制类型来确定终轧温度，在奥氏体轧制区时，终轧温度越高奥氏体晶粒越粗大，转变后的铁素体晶粒也越粗大，并易出现魏氏组织，对钢的性能不利，因此最后几道次的轧制温度应低一些。但随着温度进一步降低，钢的变形抗力会提高，轧机的轧制力和轧制力矩也随之增加。
2.5 冷却速度
冷却速度越快通过相变温度区的过冷度越大，将降低r-a的相变温度Ar3，从而提高铁素体的形核速率并降低铁素体晶粒的长大速率，使铁素体晶粒得到细化。冷却速度对于微合金碳氮化物的析出也有重要影响。当冷却速度高时，碳氮化物析出量较多，而当冷却速度过快时，晶粒虽然得到细化，但是微合金碳氮化物析出量减少，强度不能得到大的提高，所以为了得到最佳效果，应合理的制定控制冷却速度，同时要防止出现魏氏组织降低钢的性能。
2.6终冷温度
终冷温度对钢的强度和韧性有着重要影响，在管线钢生产中，抗拉强度随着终冷温度的降低而单调增加，但屈服强度和低温韧性的变化与显微组织和应力-应变曲线的变化关系较复杂。
3微合金钢控轧控冷实践中注意事项：
1）Ti微合金化低合金钢有效Ti含量至少要在0.018%以上，当钢水中的S、N含量波动较大时，实际起强化作用的Ti的含量变化较大，导致Ti微合金化钢的性能不稳定。如：s含量在0.005%，N含量为0.007%时，则应加入的Ti应为0.058%；
2）微合金的固溶与加热温度及加热时间有一定关系，为满足Ti微合金完全固溶到钢中，钢坯加热时尽量使用高温加热，但也要考虑奥氏体晶粒度不要过分长大，因此制定加热温度时应根据不同规格选择不同的加热温度。
总结
TMCP的重要手段之一就是要得到细小均匀的铁素体组织，为此就必须了解不同加工变形的奥氏体向铁素体的转变过程，控制轧制分为奥氏体再结晶区轧制，奥氏体未再结晶区轧制和（A+F）两相区轧制三种类型，控制轧后再进行快速控制冷却，即为TMCP的四个阶段。
参考文献
[1]王有铭，李曼云，韦光，钢材的控制轧制和控制冷却.北京：冶金工业出版社，2005
[2]田中，智夫，控制轧制的三个阶段，北京：冶金工业出版社，1984.
（作者单位：沧州中铁装备制造材料有限公司）